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Recibido: 12.03.2019 I Aceptado: 20.06.2019
Palabras clave: Energía eléctrica, energía renovable solar, inversores inteligentes y sistemas fotovoltaicos.
Inversores inteligentes en sistemas de
energía solar fotovoltaica
MARIO ARTURO GONZÁLEZ GARCÍ[email protected] - FACULTAD DE INGENIERÍA, UASLPVÍCTOR MANUEL CÁRDENAS GALINDORICARDO ÁLVAREZ SALASFACULTAD DE INGENIERÍA, UASLP
En nuestro país y en todo el mundo se realizan importantes esfuerzos para incrementar la integración de las diferentes formas
de energía renovable como parte de la generación de energía eléctrica, con el objetivo de satisfacer el constante aumento
de las necesidades energéticas, disminuir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de CO2 a la
atmósfera. Entre las energías renovables aprovechables para convertir en energía eléctrica se encuentran la hidráulica,
geotérmica, oceánica, bioenergía, eólica y solar.
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Figura 1.
Mapa de irradiación solar mundial. Imagen tomada y traducida de: Grupo del
Banco Mundial, financiado por ESMAP y preparado
por Solargis (https://globalsolaratlas.info).
La Secretaría de Energía reportó al 30
de junio de 2018 que México cuenta
con una potencia eléctrica total insta-
lada de 75.91 gigawatts (GW). De este
total, 68.55 por ciento (52.04 GW)
proviene de centrales con tecnologías
convencionales de combustibles fósi-
les y 31.45 por ciento (23.87 GW) de
energías limpias, entre ellas las renova-
bles con 26.87 por ciento (20.40 GW).
De las energías renovables empleadas,
predomina la hidroeléctrica con 16.55
por ciento (12.59 GW), le sigue la eó-
lica con 5.74 por ciento (4.36 GW), la
geotérmica con 1.22 por ciento (925
GW) y la solar con 2.16 por ciento (1.64
GW). México tiene como meta para el
año 2024 alcanzar 35 por ciento de
contribución de energías limpias en el
total de potencia instalada, y de llegar
a 50 por ciento para 2050, como un
compromiso internacional establecido
en la XXI Conferencia sobre Cambio
Climático de París, y que se oficializó
en la Ley General de Cambio Climático.
Por su ubicación geográfica, nuestro
país es poseedor de una gran rique-
za en el recurso solar, tal como puede
Figura 2.
Mapa de irradiación solar en México. Imagen tomada y traducida de: Grupo del Banco Mundial, financiado por ESMAP y preparado por Solargis (https://globalsolaratlas.info).
observarse en los mapas de irradiación
mundial de la figura 1 y de irradiación
en México de la figura 2, con datos
reportados por el Grupo del Banco
Mundial. La mayor parte del territo-
rio nacional tiene una alta captación
de energía solar diaria promedio por
metro cuadrado (m2) de superficie,
mayor a 5 kilowatts-hora por metro
cuadrado por día (kWh/m2/día), los es-
tados de Baja California Sur y Sonora
son los que más energía solar perci-
ben, con más de 6.2 kWh/m2/día en
promedio anual.
Hay que destacar que ningún país
europeo supera la irradiación solar
promedio captada en México, aun así
varios de esos países han apostado
e invertido en plantas generadoras
solares. Al realizar un cálculo con los
datos de irradiación reportados, se
estima que si se empleara la tecnolo-
gía actual de paneles fotovoltaicos en
un área de 554 kilómetros cuadrados
(km2) en Sonora (lo que representaría
sólo el 0.028 por ciento de la superfi-
cie del país), sin considerar espacios,
y con una eficiencia comercial de 20
por ciento en los paneles, podría ge-
nerarse la energía equivalente a todas
las necesidades de energía eléctrica
anuales de México (258 971 GWh de
energía en el año 2017). El mismo
Promedio a largo plazo de la suma diaria / anualSol diario
Suma anual
Promedio a largo plazo de la suma diaria / anual, periodo 1999-2015Sol diario
Suma anual
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cesitan un equipo de electrónica de
potencia, que sirva para conectar a
los paneles con las cargas eléctricas o
con la red eléctrica para poder consu-
mir la energía captada por los pane-
les fotovoltaicos, tal como se muestra
en la figura 4. A este dispositivo que
procesa la energía se le llama inversor
fotovoltaico. Los paneles solares, por
las características propias de sus ma-
teriales, generan potencia en corriente
directa, el inversor es la interfaz para
interconectarlos a las cargas o a la red
eléctrica, las cuales funcionan con co-
rriente alterna.
Las instalaciones solares pueden ser
interconectadas a la red eléctrica, el
usuario puede tomar la energía nece-
saria de la red en días nublados o du-
rante la noche, o bien, ser aisladas sin
conexión a red, en cuyo caso deben
contar con almacenamiento de ener-
gía (por ejemplo, baterías) para pro-
porcionar la energía a las cargas cuan-
do el recurso solar no sea suficiente y
durante la noche. En ambos tipos de
instalación es necesario el inversor.
Existen diversos fabricantes de re-
nombre mundial como SMA, Fronius,
Huawei, SolarEdge, SunGrow, ABB,
Enphase y Scheneider Electric, que
comercializan inversores para em-
plearse en instalaciones fotovoltaicas,
que van desde equipos pequeños que
sirven para convertir la energía propor-
cionada por uno o dos paneles (200
W-500 W), los que manejan arreglos
de cuatro a 40 paneles (1 kW-10 kW)
para aplicaciones residenciales y los
que procesan 10 kW-100 kW en apli-
caciones comerciales, hasta los dedi-
cados a convertir grandes cantidades
de potencia para plantas generadoras
(100 kW a 3 MW). Algunos ejemplos
se muestran en la figura 5.
Figura 3.
Parque Solar Fotovoltaico Villanueva ubicado en Viesca, Coahuila, con una capacidad de 754 MW. Fotografía tomada de: Secretaría de Energía (https://www.gob.mx/sener).
cálculo realizado con la irradiación so-
lar percibida en el Altiplano potosino
requeriría de un área efectiva de 636
km2. En realidad varias plantas solares
pueden construirse en varios estados
y contribuir junto con las demás tecno-
logías de generación (es técnicamente
complejo lograr toda la generación de
esta forma), pero los cálculos hablan
del enorme potencial que tiene Méxi-
co para generar energía eléctrica por
medio del sol.
En el año 2008 entró en vigor en Mé-
xico la Ley para el Aprovechamiento
de Energías Renovables y el Finan-
ciamiento de la Transición Energética,
que fomenta e impulsa la instalación
de generadores con energía renova-
ble. Con la Reforma Energética imple-
mentada en el país a partir de 2013,
se permite la participación de la inicia-
tiva privada a la generación de energía
renovable bajo la rectoría del Estado
para impulsar y promover la inversión
en dichas energías, obtener costos
más competitivos, elevar la producti-
vidad, hacer más atractivas las inver-
siones, incluir las energías limpias en
los mercados y reducir la emisión de
contaminantes.
Apenas en años recientes, la red
eléctrica nacional ha comenzado a te-
ner mayor participación de plantas so-
lares que generan grandes volúmenes
de energía, pasando de 35 millones
de watts (MW) de potencia solar foto-
voltaica instalada en 2012 a 1 646 MW
en 2018 (Secretaría de Energía, 2018).
La contribución más significativa la
proporciona el Parque Solar Fotovoltai-
co Villanueva instalado por la empresa
italiana Enel Green Power e inaugurado
en marzo del 2018 en Viesca, Coahui-
la, con 754 MW y más de 2 300 000
paneles fotovoltaicos (figura 3).
Además, se ha incrementado y es
cada vez más común la participación
de pequeños generadores domésti-
cos, los cuales producen la energía
equivalente a su consumo total o par-
cial. La razón de este auge se debe
principalmente al mejoramiento tec-
nológico y a la significativa reducción
en los costos de estos sistemas. Estas
instalaciones domésticas contribuyen
en conjunto con una pequeña parte
a la generación eléctrica nacional y su
crecimiento sostenido, disminuyen la
carga a las centrales que usan com-
bustibles fósiles y reducen la emisión
de CO2 a la atmósfera.
¿Qué son los inversores
fotovoltaicos?
Tanto las grandes plantas solares de
generación eléctrica como las pe-
queñas instalaciones domésticas ne-
AGOSTO 2019 238 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 27INVERSORES SOLARES INTELIGENTES
Los inversores comerciales cuentan ya
con un grado de madurez tecnológi-
ca y cumplen normas internacionales
eléctricas de seguridad y de calidad. Sin
embargo, actualmente existen aspectos
que aún se encuentran bajo investiga-
ción en todo el mundo para mejorar el
aprovechamiento de la energía solar fo-
tovoltaica y optimizar su desempeño al
interactuar con la red eléctrica.
En la actualidad se han logrado efi-
ciencias superiores a 95 por ciento en
inversores, llegando incluso a 99 por
ciento en algunos casos, según la infor-
mación que proporcionan los fabrican-
tes en las especificaciones técnicas de
sus productos (https://enphase.com,
www.fronius.com, www.sma-america.
com, https://en.sungrowpower.com
y https://new.abb.com). El incremen-
to en la eficiencia del inversor se ha
logrado con el uso de nuevos mate-
riales en sus componentes, pero un
aumento adicional también puede lo-
grarse mediante un buen diseño
Figura 4.
Sistemas de generación de energía solar fotovoltaica: a) Interconectado a la red yb) Aislado con almacenamiento de energía.
Figura 5.
Inversores comerciales para instalaciones eléctricas solares.
Fuentes: Enphase (https://enphase.com),
Fronius (www.fronius.com), SMA (www.sma-america.com),
Sungrow (https://en.sungrowpower.com) y ABB (https://new.abb.com).
Figura 6.
Inversores inteligentes en sistemas solares fotovoltaicos operando en una microrred eléctrica.
Paneles fotovoltaicos
Inversor
Cargas eléctricas
Medidor bidireccional
Conexión
a la red
kWh
Paneles fotovoltaicos
Inversor
Cargas eléctricas
Baterías
Controlador de
carga/descarga
a)
Microred
Red eléctrica
Carga Carga
Generador/cargaGenerador/carga
Carga
Almacenamiento
AlmacenamientoVehículos eléctricosCarga/almacenamiento Otros
generadores
Conexióna red
Inversorinteligente Compensación de potencia reactiva Compensación de armónicos Gestión de energía Diagnóstico de las fallas Diagnóstico en tiempo real Interacción con elementos de la red
b)
Inversor Enphase de 350 W para un panel
Inversor Fronius de 3 kW de aplicación
residencial
Inversor Sungrow de 125 kW de aplicación comercial
Inversor SMA de 1 MWpara plantas solares
Inversor ABB de 2 MW para plantas solares
Inversor SMA de 30 kW de aplicación comercial
UNIVERSITARIOS POTOSINOS 238 AGOSTO 201928
y control adecuado de la electrónica
de potencia basado en reducción de
pérdidas.
Aun cuando los inversores han alcan-
zado un cierto grado de madurez en
su operación, una desventaja es que
la degradación de sus componentes
electrónicos de potencia hacen que
éstos tengan un tiempo de vida relati-
vamente corto (de tres a 10 años), de-
pendiendo de la calidad y la marca, en
comparación con el tiempo de vida de
los paneles solares fotovoltaicos (de
25 a 40 años). Los fabricantes propor-
cionan garantías de fábrica en los in-
versores que van desde uno hasta 10
años, en el mejor de los casos, siendo
más costosos conforme se aumenta
el periodo. Esto significa que durante
el tiempo de vida de una instalación
solar, podría esperarse la sustitución o
reparación del inversor en dos o tres
ocasiones. La mejora en el tiempo de
vida del inversor es otro tema que si-
gue investigándose.
Por principio fundamental los inverso-
res fotovoltaicos tienen sólo la utilidad
de convertir la potencia generada por
los paneles en potencia aprovechable
por el usuario. No obstante, estos se
deben mejorar y desarrollar para co-
nectarse a las redes eléctricas que
operarán en el futuro. Serán necesa-
rios los inversores inteligentes con ca-
pacidades y tareas extendidas, además
de funciones de comunicación y de
gestión de energía que permitan inte-
ractuar con otros generadores, almace-
namientos de energía y con los usua-
rios en la red, efectuando en conjunto
un control optimizado de los flujos de
energía y ayudando así al control gene-
ral de la red. Estos inversores formarán
parte activa de las denominadas redes
eléctricas inteligentes. Una representa-
ción de inversores fotovoltaicos inteli-
gentes operando en la red se muestra
en la figura 6.
Investigaciones sobre inversores
para sistemas fotovoltaicos en la
UASLP
El Centro de Investigación y Estudios
de Posgrado de la Facultad de Ingenie-
ría de la Universidad Autónoma de San
Luis Potosí (UASLP), por medio del La-
boratorio de Calidad de Energía Eléctri-
ca y Control de Motores (Labceecm),
desarrolla proyectos enfocados en el
diseño y control automático de los in-
versores, en mejorar su confiabilidad y
en proporcionarles funciones adicio-
nales al procesamiento de la energía
captada por los paneles solares, como
capacidades de compensación e inte-
racción con los elementos de la red
eléctrica, contribuyendo así al desarro-
llo de inversores inteligentes.
Una de estas funciones adicionales es
la compensación de potencia reactiva,
que es un tipo de potencia no aprove-
chable demandada por algunos tipos
de cargas, y puede llevar a tener ma-
yores pérdidas en el sistema eléctrico.
La compensación de potencia reactiva
tiene como efecto la disminución de la
corriente eléctrica que fluye por el sis-
tema, lo que se traduce en menos pér-
didas. Puede compensarse la potencia
reactiva asociada a las cargas locales
en una instalación, de esta manera se
reduce aún más el consumo de watts.
A gran escala, un gran número de in-
versores compensando potencia reac-
tiva pueden contribuir a la regulación
del voltaje de la red eléctrica, aportan-
do con ello a su estabilidad.
Los inversores de las plantas a gran
escala tendrían la misma función, pero
con una contribución mucho más sig-
nificativa. Se han reportado varios tra-
bajos en todo el mundo, incluso los
fabricantes comerciales comienzan a
ofrecer esta función (www.sma-ame-
rica.com, https://new.abb.com y
https://en.sungrowpower.com). En la
UASLP también se ha contribuido a
demostrar su viabilidad para sistemas
solares con inversores de mayor ten-
sión (González, Cárdenas, Miranda y
Álvarez-Salas, 2019).
Otra función que es posible asig-
narle al inversor fotovoltaico es la
de compensación de armónicos de
corriente. La distorsión armónica es
un tipo de “contaminación” de las re-
des eléctricas, y que diversas cargas
electrónicas comunes —incluso los
Figura 7.
Paneles solares fotovoltaicos del Labceecm de la Facultad de Ingeniería de la UASLP.
GONZÁLEZ, M., CÁRDENAS, V. Y ÁLVAREZ, R. PÁGINAS 24 A 29
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Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Facultad de Ingeniería de la UASLP, de donde es profesor investigador y trabaja en el Proyecto Conacyt 1950 “Caracterización y desarrollo de convertidores modulares sin transformador para sistemas fotovoltaicos en media tensión interconectados a red”.
MARIO ARTURO GONZÁLEZ GARCÍA
propios inversores por su operación—
provocan e inyectan a la red. Esta
contaminación se vuelve importante
cuando existe un gran número de
cargas electrónicas conectadas a la
red; si los propios inversores también
se encargaran de compensar, pueden
mejorar la calidad de la red eléctrica
y reducir las pérdidas. Se han repor-
tado diversos trabajos que hablan
sobre esta función. En la UASLP tam-
bién se ha demostrado su viabilidad
(González, Cárdenas y Álvarez-Salas,
2019) y actualmente se trabaja para
su aplicación en inversores de siste-
mas solares a gran escala.
Actualmente en la UASLP también se
investiga cómo mejorar la confiabili-
dad en la operación de los sistemas
fotovoltaicos y se desarrollan algorit-
mos de diagnóstico de fallas que per-
mitan no sólo detectar cuándo falla
el inversor, sino que además provea
una localización automática del com-
ponente que falló. Conocer de ante-
mano el componente dañado ayuda-
ría a dar un mantenimiento ágil y a
reestablecer el servicio más rápido,
de esta forma disminuye la afectación
a los usuarios y se reducen pérdidas
económicas.
Para las tareas de detección de fallas,
es conveniente emplear el mismo dis-
positivo controlador y los mismos sen-
sores de voltaje y corriente que ya uti-
liza el inversor para su operación, por
lo que la implementación de este sis-
tema no agregaría un costo adicional.
Para detectar fallas en los componen-
tes del inversor se realiza un procesa-
miento digital de las señales captadas
por los sensores, y mediante técnicas
matemáticas se extrae información so-
bre el tipo y ubicación de la falla. Los
sistemas de detección de fallas son
de mayor utilidad en las plantas sola-
res que emplean un gran número de
paneles e inversores, dado que éstas
tienen un mayor compromiso en no
interrumpir o disminuir la generación
de energía.
Otro tema de investigación que se
aborda para otorgarle inteligencia al
inversor, es que éste pueda interac-
tuar con una red eléctrica inteligente,
pudiendo ésta ordenarle inyectar total
o parcialmente la potencia generada
por el sol, y de controlar la cantidad de
potencia reactiva y de contaminación
armónica que compensará. También
que el inversor pueda interactuar con
otros generadores, medios de alma-
cenamiento de energía y con usuarios
vecinos, para decidir a quién entregar-
le la energía excedente o de dónde
tomar la energía cuando se requiera
consumir por el usuario local; controlar
cuánto se manda de energía a cierto
o ciertos usuarios y cuánto hacia cen-
trales o bancos de almacenamiento de
energía. A esto se le llama capacidad
de gestión de energía.
Para operar los inversores con un siste-
ma de gestión de energía se requieren
algoritmos matemáticos que corran en
tiempo real y que den soluciones a sis-
temas de ecuaciones que representan
al sistema, para optimizar el funciona-
miento de acuerdo con una cierta ne-
cesidad específica.
Estos estudios contribuyen al desarro-
llo de tecnología para inversores en
sistemas solares fotovoltaicos e impac-
tan en la formación de profesionistas
preparados para enfrentar los retos
tecnológicos que se presenten en la
nueva generación de energías limpias
y en la operación futura de las redes
eléctricas inteligentes.
Referencias bibliográficas:Secretaría de Energía (2018). Reporte de Avance de Energías
Limpias (primer semestre). México. Recuperado de: https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/418391/RAEL_Primer_Semestre_2018.pdf
Secretaría de Energía (2018). Prospectiva de Energías Renova-bles 2018-2032, México. Recuperado de: https://www.gob.mx/sener/documentos/prospectivas-del-sector-energetico
Secretaría de Energía (2018). Prospectiva del Sector Eléctrico 2018-2032, México. Recuperado de: https://www.gob.mx/sener/documentos/prospectivas-del-sector-energetico
González, M., Cárdenas, V., Miranda, H. y Álvarez-Salas, R. (2019). Modular multilevel converter for large-scale photo-voltaic generation with reactive power flux and unbalanced active power extraction capabilities. Mathematics and Computers in Simulation, Elsevier, 162, pp. 135-154. DOI: 10.1016/j.matcom.2019.01.007.
González M., Cárdenas V., Álvarez-Salas R. (2019). Generation of new harmonics caused by the processing of DQ trans-formation in power quality compensators. International Transactions on Electrical Energy Systems, John Wiley & Sons Ltd., 29(2). DOI: 10.1002/etep.2717.
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